CN112864433B - 一种电催化氧化甲醇燃料电池的构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电催化氧化甲醇燃料电池的构建方法，属于燃料电池技术领域。利用纸作为基底，在其一面涂布一层石墨烯；利用欠电位沉积制备出具有纳米结构的Ni‑Au/纸电极，再利用刻蚀生长‑粒子自组装的方法制备出具有多级纳米结构的Au‑Ni‑Pt/纸电极，将其作为燃料电池阳极备用；采用铂电极作为燃料电池阴极；将制备的阳极与铂电极通过导线连接，插入甲醇溶液中，构建电催化氧化甲醇燃料电池。本发明使用的电极由三种金属组成，纳米金花作为基础骨架，通过沉积非贵重金属镍，最后用铂对镍进行置换，因而具有较低了贵金属铂负载量，降低了电极的成本，提高了纳米铂粒子的催化活性，应用在甲醇燃料电池中，有较高的催化效率和抗毒化的优点。

Description

一种电催化氧化甲醇燃料电池的构建方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种电催化氧化甲醇燃料电池的构建方法。
背景技术
进入到21世纪，人类面临的是不断加剧的环境污染问题和能源危机。一方面，大量燃烧化石燃料释放的有害气体，包括NOX、SOX等，以及各种可吸入颗粒物对环境造成了巨大的破坏，引发了人们对自身生存状况的担忧。另一方面，化石燃料的开采量剧增、储量下降、开采难度增大等能源问题阻碍了人类经济、社会的发展。这就使得对高效、清洁的替代能源的研究提上了日程。为了减少对化石能源的依赖并提升生活品质，一方面，要加大力度开发利用可再生能源，如因地制宜地利用太阳能、风能、水力能、地热能和生物能等。另一方面，则要提高现有能源的利用效率。提高效率，可以在不降低生活品质的条件下减少对能源的需求量，减少污染物的排放。而燃料电池作为一种能量转化装置，可将燃料的化学能直接转化为电能。因其不受卡诺效率的限制，故具有更高的能效，可以达到对资源有效利用的目的。
在燃料电池中，醇类燃料电池以廉价易得的醇类为燃料，燃料在常温常压下为液体，相比于其它燃料电池而言，具有安全可靠、能量密度高、操作温度低、无电解质腐蚀等优点，此外，作为燃料的醇类来源广泛、廉价易得。而甲醇来源广泛，是可再生能源，所制燃料电池体积小巧，燃料利用便利，洁净环保。因此，甲醇燃料电池的研究具有很大的应用潜力。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种以甲醇为直接的燃料同时以一种贵金属修饰的纳米复合电极为阳极的燃料电池构建的方法，即提供一种电催化氧化甲醇燃料电池的构建方法，用一种三维花状金镍铂修饰的纳米复合电极作阳极，以铂电极作阴极并以氢氧化钾溶液为电解质溶液甲醇为燃料组合构建成为该燃料电池。
本发明的技术方案如下：一种电催化氧化甲醇燃料电池的构建方法，包括以下步骤：
(1)利用纸作为基底，在其一面涂布一层石墨烯；
(2)利用欠电位沉积制备出具有纳米结构的Ni-Au/纸电极，再利用刻蚀生长-粒子自组装的方法制备出具有多级纳米结构的Au-Ni-Pt/纸电极，将其作为燃料电池阳极备用；
(3)采用铂电极作为燃料电池阴极；
(4)将制备的阳极与铂电极通过导线连接，插入甲醇溶液中，构建电催化氧化甲醇燃料电池。
进一步的，所述的多级纳米结构的Au-Ni-Pt/纸电极的制备方法如下：采用三电极体系，以电化学方法在改性的纸电极上进行花状纳米金沉积，以0.5M H2SO4和1mg/mLKAuCl4的混合液为电解质溶液，改性后的纸电极为工作电极，对电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl，设置电压-0.2V；再以硫酸镍溶液为电解质溶液，以纳米结构的Au/纸作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝电极为参比电极；采用计时电流法，设置电化学工作站电沉积参数：电压-1V，时间500s；在沉积镍结束后，立即将电极取出，用去离子水冲洗，转移至四氯亚铂酸钾溶液中，静置100s即得。
进一步的，所述的硫酸镍溶液为0.02M NiSO4和0.1M Na2SO4二者的混合溶液。
氯金酸水溶液的配置：将硫酸溶液的浓度稀释为0.5mol/L，再将氯金酸溶解于该浓度的硫酸溶液中，在25℃下，超声10分钟，得到1mg/mL的氯金酸水溶液。
硫酸镍水溶液的配置：将一定量硫酸镍固体和硫酸钠固体溶解于超纯水中配置NiSO4(0.02mol/L)和Na2SO4(0.1mol/L)的混合溶液。
铂溶液的配置：将浓硫酸的浓度稀释为0.5mol/L，再将四氯亚铂酸钾固体粉末溶解于浓度为0.5mol/L的硫酸溶液中，在25℃下，超声10分钟，得到1mg/mL的四氯亚铂酸钾水溶液。
PDDA溶液的配置：将一定量固体PDDA溶解于超纯水中，配置成2mg/mL的PDDA水溶液。
PSS溶液的配置方法：将一定量固体PSS溶解于超纯水中，配置成2mg/mL的PSS水溶液。
石墨烯溶液的配置方法：石墨烯超声分散于稀醋酸溶液中，制得浓度为1mg/mL的石墨烯溶液。
甲醇溶液的配置：以0.1mol/L的KOH溶液为缓冲溶液配置不同浓度的甲醇溶液。
本发明的有益效果如下：
(1)金镍铂修饰的纳米复合电极具有非密堆积的三维结构，并且在三维结构基础上具有更精细的二级花状纳米结构，多层次的纳米结构使得这种电极表面具有很高的比表面积；同时电极由三种金属组成，纳米金花作为基础骨架，通过沉积非贵重金属镍，最后用铂对镍进行置换，因而具有较低了贵金属铂负载量，降低了电极的成本，提高了纳米铂粒子的催化活性。这种电极在甲醇电化学催化氧化中，有较高的催化效率和抗毒化的优点。
(2)甲醇燃料电池具有结构简单，电解质易携带，比能量高及环保好等特征，成为近年国际上主要钻研的项目。任何燃料电池中铂基催化剂的效率都是最高的，但是也正是因为铂基高昂的成本使得燃料电池的发展受到限制。本发明将碱性介质作为缓冲溶液，使催化剂的选择不仅限于铂基。并且铂基很容易出现CO中毒的现象，这直接影响了燃料电池的发展与应用。本发明采用金-镍复合电极，既降低了成本，又不会出现CO中毒现象，两个金属的协同中作用，还具有很好的催化效果。
附图说明
图1 电催化氧化甲醇燃料电池三维结构示意图；
图2 Au-Ni-Pt电极催化氧化甲醇的循环伏安图；
图3 在不同浓度的甲醇溶液中Au-Ni-Pt电极催化氧化甲醇的循环伏安图；
图4 Au-Ni-Pt电极催化氧化甲醇的循环伏安上半圈峰电流线性图；
图5 Au-Ni-Pt电极催化氧化甲醇的循环伏安下半圈峰电流线性图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细说明本发明。根据本发明设计目的，同类物质的简单替代以及尺寸形状的变化，例如本发明改变电极外观如改为正方形或其它形状，简单改变氯金酸钾、硫酸镍和四氯亚铂酸钾等物质的用量、溶液的值、溶液的浓度或者沉积时间等，简单改变电极的应用等均应属于本发明的范围下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为本技术领域现有的常规方法所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1：电催化氧化甲醇燃料电池电极的制备
本实施例的Au-Ni-Pt/纸电极，通过以下方法制备得到：
(1)利用纸为基底，将石墨烯溶液，涂布于纸电极正面。再将该电极交替浸泡于PDDA和PSS溶液中各3分钟，吹干，重复3次。
(2)采用电化学方法在改性的纸电极上进行花状纳米金沉积：采用三电极体系，氯金酸钾的混合液为电解质溶液，改性后的纸电极为工作电极，对电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl，设置电压-0.2V。
(3)采用电化学方法制备Au-Ni-Pt/纸复合电极：采用三电极体系，以NiSO4(0.02M)和Na2SO4(0.1M)的混合溶液为电解质溶液，以纳米结构的Au/纸作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极。采用计时电流法，设置电化学工作站电沉积参数：电压-1V，时间500s。立即将电极取出，用去离子水多次冲洗，迅速转移至新制的四氯亚铂酸钾溶液中，静置100s，备用。
在沉积金条件不同时，由于纳米金花的粒径不同，导致最终的多级Au-Ni-pt合金纳米花的形态也发生变化。这是由于沉积金的时间较长，形成的纳米金花较为密集，原子间自组装效应较为明显，相近的较小的聚集体会相互连结；相反当沉积时间较短时，纳米金花间距较为稀疏，因而原子自组装成的聚集体则较为规则分布均匀。当复合电极上的纳米粒子聚集体分布均匀时，电化学性能尤为突出。
实施例2：电催化氧化甲醇燃料电池的构建
以Au-Ni-Pt/纸电极作阳极，Pt电极作阴极；在阳极池中加入浓度0.1mol/L的氢氧化钾溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.1mol/L的甲醇作为燃料，在阴极池中加入浓度为0.1mol/L，pH值为8～14的甲醇溶液并通入氧气，两池之间用阴离子交换膜连接，以此构建形成电催化氧化甲醇燃料电池。
如附图1所示，将制备的阳极与铂电极通过导线连接，插入甲醇溶液中，构建电催化氧化甲醇燃料电池。
实施例3：电催化氧化甲醇燃料电池性能测试
对实施例2构建的电催化氧化甲醇燃料电池性能的测试：运用电化学工作站，首先连接电路，改性阳极作为工作电极，电池阴极作为对电极，Ag/AgCl电极作为对比电极。利用循环伏安测试电极对甲醇催化活性，在确定电极的初始稳定电位后，选定一个合适的终止电位和扫描速率，就扫描就得到了电极的循环伏安曲线。如附图2所示。在50mV/s的扫描速度下测试Au-Ni-Pt电极在0mol/L，0.25mol/L，0.5mol/L，0.75mol/L，1.0mol/L，1.25mol/L甲醇溶液中的催化效果。如附图3所示，从图中可以看出，随着甲醇溶液浓度的不断增大，纳米电极在甲醇溶液中的氧化电流也不断增大，氧化峰也不断升高，呈现出良好的催化甲醇的线性响应。如附图4、附图5所示。最高可达27mA，Au-Ni-Pt电极对甲醇催化活性很好。表明Au-Ni-Pt/纸电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电催化氧化甲醇燃料电池的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用纸作为基底，在其一面涂布一层石墨烯；
（2）利用欠电位沉积制备出具有纳米结构的Au-Ni/纸电极，再利用刻蚀生长-粒子自组装的方法制备出具有多级纳米结构的Au-Ni-Pt/纸电极，作为燃料电池阳极备用；
多级纳米结构的Au-Ni-Pt/纸电极的制备方法如下：采用三电极体系，以电化学方法在改性的纸电极上进行花状纳米金沉积，以0.5M H2SO4和1mg/mL KAuCl4的混合液为电解质溶液，改性后的纸电极为工作电极，对电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl，设置电压-0.2 V；再以硫酸镍溶液为电解质溶液，以纳米结构的Au/纸作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝电极为参比电极；采用计时电流法，设置电化学工作站电沉积参数：电压-1V，时间500s；在沉积镍结束后，立即取出，用去离子水冲洗，转移至四氯亚铂酸钾溶液中，静置100s即得；得到多级纳米结构的Au-Ni-Pt/纸电极；
（3）采用铂电极作为燃料电池阴极；
（4）将燃料电池阳极与铂电极通过导线连接，插入甲醇溶液中，构建电催化氧化甲醇燃料电池。
2.根据权利要求1所述的一种电催化氧化甲醇燃料电池的构建方法，其特征在于，所述的硫酸镍溶液为0.02M NiSO4和0.1M Na2SO4二者的混合溶液。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107863538A (zh) * 2017-11-03 2018-03-30 大连大学 一种用于乙醇催化的电极及其应用

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100691117B1 (ko) * 2004-05-25 2007-03-09 주식회사 엘지화학 루테늄-로듐 합금 전극 촉매 및 이를 포함하는 연료전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107863538A (zh) * 2017-11-03 2018-03-30 大连大学 一种用于乙醇催化的电极及其应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
导电聚合物/贵金属复合材料应用于C1小分子电催化氧化;任芳芳;蒋丰兴;周卫强;杜玉扣;徐景坤;;化学进展(第09期);全文 *

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